Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I

Transkript

1 Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I Wintersemester 2009/2010: Henrik Beuther & Christian Fendt Einfuehrung: Ueberblick und Geschichte (H.B.) Grundlagen: Koordinatensys., Sternpositionen, Erde/Mond (C.F.) Grundlagen: Teleskope und Instrumentierung (H.B.) Grundlagen: Strahlung, Strahlungstransport (C.F.) Planetensystem(e) und Keplergesetze (H.B.) Sonne & Sterne, Typen, Klassifikationen, HR-Diagramm (C.F.) Sternaufbau und Sternentwicklung (C.F.) Sternentstehung, Akkretionsscheiben und Jets (H.B.) Kompakte Objekte: Schwarze Loecher, Neutronensterne, W. Zw. (C.F.) Interstellare Materie: Chemie und Materiekreislauf (H.B.) und Mehrfachsysteme und Sternhaufen, Dynamik (C.F.) Exoplaneten (und Astrobiologie) (H.B.) Die Milchstrasse (H.B.) Zusammenfassung (C.F. & H.B.) beuther@mpia.de, fendt@mpia.de

2 Themen heute 13.1 Geschichte und generelle Eigenschaften 13.2 Rotation und Spiralstruktur 13.3 Das Galaktische Zentrum Ein schwarzes Loch 13.4 Der Galaktische Halo und Zwerggalaxien

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4 Geschichte Jahrhundert: Galilei loest Milchstrasse in Ansammlung von Sternen auf Jahrhundert: Kant und Wright: Milchstrasse ist Scheibe aus Sternen. Thomas Wright: An original theory or new hypothesis about the origin of the universe

5 Geschichte : William Herschel zaehlt Sterne in einigen 100 Feldern am Himmel. Milchstrasse im Verhaeltis 4:1 abgeflacht, Milchstrasse hat einen Rand, Sonne nahe dem Zentrum. Thomas Wright: An original theory or new hypothesis about the origin of the universe Sonne

6 Geschichte : Kapteyn: Messung der Entfernung von Sternen in der Scheibe Groesse der Milchstrasse ca. 5kpc, Sonne nahe Zentrum : Shapley: Messung der Entfernung von Kugelsternhaufen: Groesse der Milchstrasse ca. 100kpc, Sonne 20kpc vom Zentrum. Wie loest sich diese offensichtliche Widerspruch? - Viel Staub in der galaktischen Ebene Absorption und Verdunklung im Optischen Nur ein Teil der galaktischen Ebene wurde gesehen und damit Groesse unterschaetzt. - Wenig Staub im galaktischen Halo Wenig Absorption Emission Kugelsternhaufen ueberschaetzt Groesse ueberschaetzt. Um galaktische Struktur besser zu verstehen, braucht man Beobachtungen bei anderen, nicht optischen Wellenlaengen!

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8 Neutraler atomarer Wasserstoff - Verbotene Spininversionslinie bei 21cm Wellenlaenge:

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10 Zentrale Parameter unser Galaxie - Distanz Sonne-galaktisches Zentrum R Sonne ca. 8.5kpc (z.b. aus Periode- Leuchtkraft-Beziehung von RR Lyra Sternen im galaktischen Zentrum) - Durchmesser ca. 30kpc oder Lichtjahre. Im Durchschnitt hat Scheibe eine Dicke von ca Lichtjahren. - Geschwindigkeit der Sonne um gal. Zentrum v Sonne ~ 220km/s Winkelgeschwindigkeit ω Sonne ~ 26 km/s/kpc - Umlaufzeit der Sonne in Galaxie ~ 250 Millionen Jahre Milliarden Sterne - Masse innerhalb der Sonne (Annahme sphaerische Symmetrie): ω 2 Sonne R Sonne = GM(<R Sonne )/R Sonne 2 M ~ M sonne - Galaktischer Halo: - Durchmesser ca Lichtjahre und sphaerisch. - ca. 150 Kugelsternhaufen und weitere meist alte Sterne. - Dunkle Materie ca M Sonne

11 ca. 30kpc

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15 Themen heute 13.1 Geschichte und generelle Eigenschaften 13.2 Rotation und Spiralstruktur 13.3 Das Galaktische Zentrum Ein schwarzes Loch 13.4 Der Galaktische Halo und Zwerggalaxien

16 , ω=1/r

17 Rotationskurve unserer Galaxie

18 Rotationskurven anderer Galaxien

19 Dunkle Materie

20 Dunkle Materie

21 Spiralstruktur M51 Spiralarme zeichnen sich durch hohe Dichte an massereichen und jungen Sternen, Molekuelwolken und HII Regionen aus. Masseaermere langlebigere Sterne verteilen sich ueber die Galaxie. Spiralarme koennen anhand ersterer vermessen werden.

22 Spiralstruktur in Andromeda in nichtstellaren Tracern

23 Spiralstruktur Neuere Maser-Paralaxen favorisieren 4 Spiralarme (Reid et al. 2009).

24 Spiralarme Das Aufwickelproblem - Galaxie rotiert ungefaehr mit v=konstant ω ~ 1/r Strukturen werden sehr schnell verwaschen. Aber Spiralarme sind langlebige Strukturen!!! Dichtewellentheorie: Lindblad in Zwanziger Jahren, Lin spaeter in den Sechzigern: - Dichtewelle mit ω Dichte ~13.5km/s (halbe stellare und Gasrotationsgeschwindigkeit) umlaeuft Galaxie. Interstellares Gas laeuft in Dichtewelle, wird in Potential komprimiert, Sterne entstehen, verlassen Dichtewelle anschliessend. Probleme: Was bestimmt ω Dichte? Unter welchen Umstaenden entstehen keine Spiralen? Was facht Dichtewellen an? Was daempft sie? Gezeitenwirkungen mit Nachbargalaxien sind eine Moeglichkeit (Magellansche Wolken).

25 Sternentstehung in Spiralen Da Gaswolkenrotation schneller als Dichtewellenrotation, wandern Wolken in Dichtewellenpotentiale, werden komprimiert und Sterne entstehen. Diese wandern wieder aus den Armen heraus. Da massereiche Sterne kurzlebig sind, findet man sie immer noch nahe den Armen.

26 Themen heute 13.1 Geschichte und generelle Eigenschaften 13.2 Rotation und Spiralstruktur 13.3 Das Galaktische Zentrum Ein schwarzes Loch 13.4 Der Galaktische Halo und Zwerggalaxien

27 Das Galaktische Zentrum - Staub absorbiert jegliche optische Emission vom galaktischen Zentrum. - Zuerst 1933 von Karl Jansky in Radiostrahlung detektiert. - Siebziger Jahre:SgrA* nicht-thermische Radioquelle ohne optische oder Nahinfrarotquelle. - Neunziger Jahre: Nachweis der Roentgenstrahlung mit ROSAT.

28 ~4 0 ~1900LJ Zooming into the Galactic Center

29 Zooming into the Galactic Center 2µm des zentralen Clusters

30 Zooming into the Galactic Center 2µm des zentralen Clusters Adaptive Optik im Nahen Infraroten

31 Zooming into the Galactic Center Ohne adaptive Optik

32 Zooming into the Galactic Center Ohne adaptive Optik Mit adaptiver Optik

33 Eigenbewegungen der Sterne 3 Groesse Nahinfrarotbild, Epochen von 1992 bis 2008, MPE Garching

34 Eigenbewegungen der Sterne UCLA, Andrea Ghez

35 Der Stern S2 Newest data from Gillesssen et al Stern S2 passiert SgrA * 2002 in nur 17 Lichtstunden Abstand mit v>5000km/s. Mit Kepler 3 (U 2 = 4πa 3 /(G(m 1 +m 2 ))) bestimmt sich Masse des schwarzen Loches zu ~ 3.7x10 6 M Sonne.

36 Der Stern S2 Hypothetischer Cluster dunkler astrophysikalischer Objekte, z.b. Neutronensterne oder schwarze Loecher. Aber Lebenszeit <10 5 Jahre. Massenverteilung flach innerhalb 0.2pc. Mit allen Daten Schwarzlochmasse ~4x10 6 M Sonne. Nur stellarer Cluster

37 Variabilitaet im galaktischen Zentrum Signatur von Akkretion und Rotation des schwarzen Loches.

38 Variabilitaet im galaktischen Zentrum - Gesamtflare etwas ueber eine Stunde mit Subperiodizitaet von 17min. - Flare wahrscheinlich durch heisses Gas am Rande des letzten stabilen Orbits verursacht bevor es hineinfaellt. - Scharfer Anstieg und Abfall indiziert, dass es innerhalb 10 Schwarzschildradien sein muss (Schwarzschildradius hier ~10 12 cm~0.1au). - Nichtrotierendes schwarzes Loch haette Priodizitaet von 27min. 17min Periodizitaet indiziert rotierendes schwarzes Loch.

39 Themen heute 13.1 Geschichte und generelle Eigenschaften 13.2 Rotation und Spiralstruktur 13.3 Das Galaktische Zentrum Ein schwarzes Loch 13.4 Der Galaktische Halo und Zwerggalaxien

40 ca. 30kpc

41 Die Milchstrasse mit Halo im NIR

42 Sagitarius Zwerggalaxie

43 Sagitarius Zwerggalaxie Majewski et al. 2003

44 Milchstrassen-Zwerggalaxien-Interaktionen Kathryne Johnston

45 Milchstrassen-Zwerggalaxien - 22 Zwerggalaxien in Milchstrassenhalo bekannt, Anzahl steigend aber weniger als in CDM Kosmologie vorausgesagt. Naechstes Semester

46 Sieht so/sah so die Milchstrasse aus?

47 Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I Wintersemester 2009/2010: Henrik Beuther & Christian Fendt Einfuehrung: Ueberblick und Geschichte (H.B.) Grundlagen: Koordinatensys., Sternpositionen, Erde/Mond (C.F.) Grundlagen: Teleskope und Instrumentierung (H.B.) Grundlagen: Strahlung, Strahlungstransport (C.F.) Planetensystem(e) und Keplergesetze (H.B.) Sonne & Sterne, Typen, Klassifikationen, HR-Diagramm (C.F.) Sternaufbau und Sternentwicklung (C.F.) Sternentstehung, Akkretionsscheiben und Jets (H.B.) Kompakte Objekte: Schwarze Loecher, Neutronensterne, W. Zw. (C.F.) Interstellare Materie: Chemie und Materiekreislauf (H.B.) und Mehrfachsysteme und Sternhaufen, Dynamik (C.F.) Exoplaneten (und Astrobiologie) (H.B.) Die Milchstrasse (H.B.) Zusammenfassung (C.F. & H.B.) beuther@mpia.de, fendt@mpia.de